Có thể phân loại các ứng dụng vật lý hạt nhân vào nông nghiệp, y học và sinh vật thành hai hướng chính, dựa trên hai đặc điểm sau của tia phóng xạ. Một là khả năng hủy hoại tế bào sống, gây biến dị của nó. Tương ứng, người ta dùng tia phóng xạ để diệt tế bào ung thu hay sinh vật có hại (phương pháp chiếu bức xạ ion hóa). Hai là độ nhạy rất cao của các máy đo hạt nhân. Nhờ đó ta có thể phát hiện hoặc đo được những lượng chất phóng xạ vật chất rất bé. Tương ứng, phương pháp hạt nhân cho phép ghi nhận hình ảnh của cơ thể, theo dõi sự vận chuyển các chất trong cơ thể hay đo đạc những chất vi lượng (các phương pháp chụp ảnh phóng xạ, đánh dấu đồng vị, phân tích kích hoạt). Chương này giới thiệu các ứng dụng đó. Một số thiết bị chuyên dùng cũng được giới thiệu.
Trang 1ỨNG DỤNG CỦA VẬT LÝ PHÓNG XẠ TRONG
NÔNG NGHIỆP
Có thể phân loại các ứng dụng vật lý hạt nhân vào nông nghiệp, y học và sinh vật thành hai hướng chính, dựa trên hai đặc điểm sau của tia phóng xạ Một là khả năng hủy hoại tế bào sống, gây biến dị của nó Tương ứng, người ta dùng tia phóng
xạ để diệt tế bào ung thu hay sinh vật có hại (phương pháp chiếu bức xạ ion hóa) Hai là độ nhạy rất cao của các máy đo hạt nhân Nhờ đó ta có thể phát hiện hoặc đo được những lượng chất phóng xạ vật chất rất bé Tương ứng, phương pháp hạt nhân cho phép ghi nhận hình ảnh của cơ thể, theo dõi sự vận chuyển các chất trong cơ thể hay đo đạc những chất vi lượng (các phương pháp chụp ảnh phóng xạ, đánh dấu đồng vị, phân tích kích hoạt) Chương này giới thiệu các ứng dụng đó Một số thiết
bị chuyên dùng cũng được giới thiệu
I PHƯƠNG PHÁP CHIẾU BỨC XẠ ION HÓA
Tác dụng sinh học của tia phóng xạ lên cơ thể sống nói chung là có hại, nhưng
có thể được ứng dụng vào những mục đích có lợi cho con người Khi chiếu tia phóng xạ lên các cơ thể sống với những liều lượng xác định ta có thể gây nên những
biến đổi sinh học (sự biến dị) mong muốn trong các tế bào của cơ thể đó, hoặc tiêu diệt các tế bào đó Phương pháp chiếu bức xạ ion hóa do đó có hai hướng ứng dụng
chính: 1) gây đột biến, tạo các giống mới như mong muốn và 2) tiêu diệt các tế bào,
vi sinh vật hoặc côn trùng có hại Chúng ta sẽ lần lượt xem xét các ứng dụng nói trên
I.1 Gây đột biến, tạo giống mới
Trong sự phát triển tự nhiên của sinh vật, thế hệ sau luôn mang những đặc tính của thế hệ trước đó (sự di truyền), đồng thời có những đặc tính khác với thế hệ trước (sự biến dị hay đột biến tự nhiên) Những đặc tính của thế hệ sau được quyết
Trang 2định bởi các nhiễm sắc thể (nhân tố mang chức năng di truyền) của tế bào trong thế
hệ trước Khi được chiếu xạ, bức xạ ion hóa gây nên những thay đổi trong các nhiễm sắc thể này, do đó làm tăng khả năng gây nên đột biến
Công tác chọn giống và tạo giống mới có vai trò hết sức quan trọng trong việc tăng năng suất và chất lượng cây trồng đặc biệt là các loại cây lương thực Chính công tác này đã đóng vai trò quyết định trong cuộc cách mạng xanh hồi những năm
60 ở Ấn Độ và nhiều nước khác trên thế giới
Cùng với các chất hóa học, bức xạ ion hóa là một tác nhân gây đột biến rất có hiệu quả Việc chiếu xạ có thể giúp con người tạo nên những giống mới có các ưu điểm như: năng suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, chịu hạn giỏi, đề kháng tốt với sâu bệnh, dễ thu hoạch vv… và hàng loạt thuộc tính mà con người mong muốn I.1.1 Cơ chế gây đột biến của bức xạ ion hóa
Các tác nhân gây đột biến lên phân tử AND theo các cơ chế sau đây:
a Đánh lên phân tử AND nghỉ thời kỳ nhân đôi
- Làm biến đổi các bazo của AND nhưng không làm hủy bazo (thí dụ axit Nitric – hydroxylamine, một số chất khử và oxy hóa khác)
- Không những làm biến đổi mà còn tách bazo ra khỏi khung ribozaphotphat của AND và làm đứt chuổi polynuckeotit (các hợp chất có một loại chức alcol, hơ nóng 40 60 C− 0 , gốc tự do)
- Ngoài các tác dụng trên, còn tạo các cầu nối đồng hóa trị giữa các bazo, làm gắn chuỗi AND (thí dụ các hợp chất có 2 chức alcol, andehyt, mitomxin C)
b Đánh lên phân tử AND đang nhân đôi
- Các chất tương tự bazo của AND
- Các chất gây ngừng quá trình nhân đôi hay loại trừ các bazo (acridin)
- Dao động tại chổ của chuyển động nhiệt của các nguyên tử trong các bazo AND tạo nên trong các điều kiện sinh lý
Trang 3c Đánh lên hệ thống tổng hợp và sửa chửa AND
- Thay đổi phản ứng sinh tổng hợp các bazo AND: uretan.6 merkeptomim, 8 etoxicofein, azaxerin…
- Biến đổi AND polymeraza
d Các nhân tố tác dụng phối hợp
- Các tác nhân ức chế hệ thống sửa chửa AND làm tần số đột biến tự nhiên Bức xạ ion hóa có tác dụng phối hợp: tổng hợp tác dụng của nhóm a và nhóm c, có khả năng tạo các mảnh đứt AND, và đối với vài loại bức xạ có thể làm sắp xếp lại thể nhiễm sắc
I.1.2 Các đặc điểm chung của tác dụng gây đột biến của bức xạ ion hóa
Về mặt hiện tượng luận người ta thấy rằng sự đột biến gây bởi các tia ion hóa
có những tính chất chung sau đây:
- Bức xạ ion hóa có khả năng gây đột biến cho mọi sinh vật
- Để có đột biến, tia bức xạ cần chiếu trực tiếp vào các tế bào mang chức năng di truyền
- Đột biến có thể xảy ra với một liều lượng bức xạ rất bé (không xác định được ngưỡng dưới)
- Liều hấp thụ cần thiết để gây ra số lượng đột biến nhân tạo bằng số lượng đột biến ngẫu nhiên được gọi là liều gấp đôi Độ lớn của liều gấp đôi phụ thuộc vào suất liều hấp thụ Trong thực tế, người ta thấy rằng khi chiếu với một suất liều mạnh thì liều gấp đôi có giá trị khoảng 15-30 rad một lần chiếu, khi chiếu với một suất liều thấp và thời gian kéo dài, thì liều gấp đôi có thể lên đến 100 rad
- Đột biến tự nhiên và đột biến gây bởi các bức xạ ion hóa có tính chất giống nhau
- Trong hầu hết các trường hợp, các đột biến dẩn tới những biến đổi xấu trên sinh vật, nhưng cũng có trường hợp cho kết quả tốt
Trang 4I.1.3 Phương pháp
Để gây ra các đột biến bằng bức xạ ion hóa người ta thường dùng tia X, tia γ , hoặc neutron Neutron có khả năng gây đột biến cực kỳ cao Người ta thấy rằng neutron có năng lượng khoảng 500 kev có tác dụng di truyền gấp hàng chục đến hàng trăm lần tia X Dạng biến dị xuất hiện khi chiếu neutron thường rất đa dạng Ngoài ra các tia tử ngoại cũng có tác dụng gây đột biến, nhưng tác dụng không mạnh mẽ bằng các nguồn kể trên
Trong khi kỹ thuật chiếu ion hóa là tương đối đơn giản thì việc tiến hành nghiên cứu gây nên một biến dị có lợi là một quá trình phức tạp công phu, đòi hỏi thời gian và phải thực hiện hàng loạt thí nghiệm trên nhiều mẫu đồng thời Do đó phải đảm bảo sự đồng nhất của điều kiện thí nghiệm trên các mẫu Chẳng hạn khi nghiên cứu trên các hạt giống cần chọn các hạt đồng nhất về khối lượng, kích thước, màu sắc, có độ ẩm như nhau Khi nghiên cứu trên các cây non có sức mọc rễ và thân đồng nhất Muốn so sánh các kết quả cần thực hiện các điều kiện thí nghiệm trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ như nhau
Để chọn được phương pháp chiếu gây đột biến thích hợp, cần có sự hiểu biết cặn kẽ về các tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên các tế bào, đặc biệt phải sử dụng tốt những kiến thức thực nghiệm tích lủy được nhiều năm qua trong các nghiên cứu chiếu xạ
Thực nghiệm cho thấy bức xạ ion hóa liều cao (>3000 R) làm chậm lớn, ngừng phát triển và có thể làm thay đổi cả cấu tạo của cây Độ nhạy của các hạt giống trải dài trong một khoảng liều chiếu từ 2000 R đến 64000 R Hạt giống ẩm nhạy bức xạ hơn hạt giống khô Có loại hạt giống không mọc được khi chiếu với liều 2000 R, có loại hầu như mọc bình thường khi chiếu với liều 64000 R
Trong nhiều trường hợp, liều bức xạ thấp kích thích cây mọc tốt hơn
Suất liều chiếu được chọn tùy theo tổng liều Với tổng liều dưới 1000 R thường người ta dùng suất liều 10 – 100 R/h Với tổng liều trên 1000 R thường người ta chọn suất liều cao hơn, đến 500 R/h
Trang 5Kinh nghiệm thực tiển cho thấy dù có nhiều nổ lực trong việc chiếu xạ, tần số gây biến dị vẫn còn thấp, những biến dị có lợi càng hiếm và đa số không di truyền được đến đời sau Do đó tạo được giống mới là rất công phu Hiện nay người ta cho rằng để tạo được giống mới ổn định, toàn bộ quá trình kể từ việc gây biến dị, thử nghiệm chọn lọc, xác định thuộc tính mới và mức độ ổn định qua các thế hệ, nhân giống vv…phải mất trung bình khoảng 10 năm
I.1.4 Một số thí dụ về các giống mới được tạo ra bằng phương pháp chiếu bức xạ ion hóa
Ở Việt Nam, nhiều viện nghiên cứu và trường Đại Học đã tích cực triển khai công tác nghiên cứu tạo giống cây trồng nông nghiệp (Viện Di truyền nông nghiệp, Viện lúa đồng bằng sông Cửu Long, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM, Viện khoa học kỹ thuật nông nghiệp miềm Nam…) Đến nay nhiều giống cây trồng mới có năng suất cao, có tính chịu tốt (chịu nóng, chịu hạn, chịu mặn…) có chất lượng cao đã lần lượt ra đời, phục vụ sản suất đại trà (lúa: DT10, DT13, DT33, DT16, A2CM1, TNDB100; Ngô: DT6, DT2, DL2…; Đậu tương: DT84, DT90, DT95; Lạc: DT1, DT2….)
Một loạt các giống lúa cổ truyền và một giống lúa lai nhập nội hiện đang được
xử lý và chọn lọc tới thế hệ M4, với nhiều dòng hứa hẹn tách lọc được từng cá thể trên quần thể M2 Thống kê khảo nghiệm như sau:
2 Tám xoan Thái Bình Bắc Việt Nam
Trang 68 Trắng hòa bình Nam Việt Nam
Trong số đó, các giống lúa Tám tỏ ra rất nhạy cảm với chiếu tia Ở liều chiếu 12 krad với suất liều khoảng
60
Co
γ 1
50rad s − , tỷ lệ cây mạ sống sót chỉ vào khoảng
1 - 3 % (với số lượng hạt đượcchiếu xạ đem gieo là khoảng 30000) Do vậy, những
liều chiếu xạ thích hợp cho tân sô biến dị cao vào khoảng 6 – 8 krad Các biến dị
chin sớm có kiểu hình cao và thấp cây (tương ứng với 19 và 66 dòng cá thể được chọn) xuất hiện trong các quần thể M2 khoảng 12000 dảnh mạ cấy
Ở một nghiên cứu khác để tạo ra đột biến trên hạt của hai giống lúa Bắc thơm
số 7 và Khang dân đã được xử lý ướt ở các thời điểm 66h, 69h, 72h và 75h, sau đó phóng xạ với liều 10 krad, 15 krad và 20 krad ở Trung tâm chiếu xạ Hà Nội rồi gieo trồng ở ruộng thí nghiệm của Viện Di Truyền nông nghiệp và Trại khỏa nghiệm giống cây trồng trung ương Hà Nội Kết quả xác định được hai giống lúa Bắc thơm
số 7 và Khang dân được xử lý phóng xạ bằng tia gamma ( ) liều 10,15 krad xuất hiện các đột biến có lợi cho chọn giống tập trung ở 66h và 69h
60
Co
Trên nghiên cứu về nắm với phóng xạ, nắm hầu thủ Hericium Erinaceum được tách đoạn và được xử lý chiếu tia gamma của nguồn ở một liều chiếu rộng: 35 – 200 krad Mức ức chế tăng trưởng hệ sợi phụ thuộc chặt chẻ vào liều áp dụng Ở
200 krad, hệ sợi hầu như ngừng sinh trưởng Ức chế khủng hoảng ở 100 – 150 krad được coi như LG50 (ức chế sinh trưởng 50 %) và tạo nên biến dị mạnh
60
Co
I.2 Diệt côn trùng có hại
Trong việc ứng dụng bức xạ để diệt côn trùng người ta có thể sử dụng 2 phương pháp: dùng côn trùng để diệt côn trùng và diệt trực tiếp
Trang 7I.2.1 Dùng côn trùng để diệt côn trùng
- Trong phương pháp này người ta ứng dụng khả năng gây biến dị của tia ion hóa lên côn trùng để tạo nên các giống mới có tính chất sinh học bất lợi cho loài côn trùng đó và tung vào môi trường, cho lai tạo tự nhiên Các giống mới có thể là giống không có khả năng sinh sản; hoặc có tỉ lệ sinh con đực cao; hoặc không thích hợp với điều kiện sống; hay có những tính chất sinh học bất lợi cho việc phát triển (chịu nhiệt kém, đề kháng thuốc trừ sâu kém, dễ bị bệnh…vv) Bằng cách này người ta có thể tạo ra các giống mới dần dần tự tiêu diệt hoặc có tác hại không đáng kể
I.2.2 Diệt trực tiếp
- Để diệt trực tiếp côn trùng người ta chiếu tia ion hóa lên chúng để làm ức chế quá trình sinh sản, tăng trưởng hay tử vong Để chiếu côn trùng người ta dùng tia X hoặc tia gamma và trong một ít trường hợp dùng tia beta
- Với liều chiếu khoảng 8 – 250 R người ta thấy có sự ức chế phân chia bào thai côn trùng Liều khoảng 250 – 300 R có tác dụng tiêu diệt các tế bào đang phân chia
- Đối với sự tăng trưởng của côn trùng, người ta thấy bức xạ liều thấp ít có ảnh hưởng, liều vừa có tác dụng kích thích nhưng liều cao có tác dụng ức chế
- Với liều rất cao côn trùng thường chết sau 3 – 4 ngày, tối đa là 10 – 12 ngày Nếu qua được 25 – 30 ngày là còn sống sót Người ta thấy rằng sau khi được chiếu, nếu nhiệt độ của môi trường quanh côn trùng càng thấp thì thời gian sống sót của chúng càng lớn
- Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã áp dụng thành công việc tiêu diệt côn trùng có hại bằng cách tung vào môi trường những côn trùng cùng loại mang những thuộc tính bất lợi cho loài do bị chiếu bức xạ ion hóa Có hai biện pháp chính:
• Thả những con đực đã bị làm vô sinh bằng chiếu bức xạ ion hóa: Những
con đực này chiếm lấy những con cái bình thường trong tự nhiên, giao phối với chúng làm chúng chỉ đẻ ra những trứng vô sinh Như thế số cá thể của thế hệ tiếp
Trang 8theo giảm sút hẳn xuống nếu những con đực vô sinh được tung ra với số lượng
nhiều và liên tục có thể làm diệt chủng loài côn trùng đó
• Thả những con đực và cái mang những thuộc tính di truyền bất lợi (mà
con người tao được bằng phương pháp chọn lọc qua chiếu bức xạ ion hóa va nhân
lên trong phòng thí nghiệm) Những biến dị bất lợi này có thể về phương diện hình
thái (thí dụ tật ở cánh làm bay kém) hay về phương diện sinh lý (như mất khả năng
ngủ đông, tiềm sinh, số con đực cao, chịu lạnh nóng hay khô kém, nhạy thuốc…)
Những cá thể này làm lan truyền thuộc tính di truyền bất lợi đó trong cả loài qua
một số thế hệ làm giảm dần số cá thể sống sót và dẫn đến tiêu diệt loài
Liều tử vong của một số côn trùng Côn trùng Loại bức xạ Liều
(R)
% tử vong
Thời gian (ngày)
Muỗi Aedes aegypti (trưởng thành) X 20000 50 18
Ruồi dấm Drosophila (trưởng thành) Beta 60000 60 14
Baltella germanica (60 ngày) Gamma 72000 14
Ruồi nhà (Musca domestica)
Trang 9Trứng Gamma 130 50 1
Pediculus humanus
Một trong những thí dụ điển hình nhất của việc dùng phương pháp chiếu bức
xạ để tiêu diệt côn trùng là vụ làm tiệt chủng một giống ruồi ở phía nam nước Mỹ
và Mehico
Để tiêu diệt giống ruồi này người ta đã dùng phương pháp gây vô sinh Thả
hàng loạt ruồi đực đã bị làm vô sinh bằng cách chiếu một liều bức xạ tương đối thấp
ở giai đoạn nhộng Những con đực này có khả năng cạnh tranh hoàn toàn không
kém gì những con đực bình thường trong việc chiếm lấy con cái chỉ có khác là làm
cho ruồi cái chỉ đẻ ra những trứng vô sinh Làm tràn ngập môi trường bằng những
con ruồi đực vô sinh này bằng cách tung ra 50 triệu con một lúc có thể làm cho
phần lớn trứng ruồi cái đẻ ra đều vô sinh Chiến dịch kéo dài 18 tháng trong đó hơn
hai tỷ ruồi đực vô sinh thả ra và cuối cùng giống ruồi này đã tuyệt diệt
Liều vô sinh của một số côn trùng Liều
(R)
Tuổi côn
trùng
% vô sinh và trứng đẻ ra Côn trùng
2500
5000
Nhộng đực
Nhộng cái
100%; ít trứng vô sinh được đẻ ra
-nt-
Callitroga hominivorer
-nt-
Trang 108050
16100
3200
6400
12900
8865
5000
8865
10000
10000
Trưởng thành
Trưởng thành
Nhộng
Nhộng
Nhộng
Nhộng
Trưởng thành
Trưởng thành
Nhộng
Trưởng thành
Ít trứng vô sinh được nở ra 100% không nở ra
Trứng
Ít trứng
Khử 50 % trứng vô sinh Không giảm trứng nở 2% trứng nở
Giảm 66% trứng, 89% nở 100% vô sinh, ít trứng, không nở
9 – 82% trứng nở
Drosophila
-nt- Anopheles quadrimaculaus
-nt-
-nt- -nt- -nt- Anopheles quadrimaculaus Pediculushumanus
-nt-
I.3 Khử trùng và thanh trùng bằng bức xạ ion hóa
Việc khử trùng bằng xử lý nhiệt là phương pháp truyền thống và đang được dùng rộng rãi Nhưng đối với thực phẩm và thuốc men, việc xử lý nhiệt có thể làm hỏng một phần các hợp chất như vitamin hay axit amin, hoặc làm thay đổi màu sắc, mùi vị của sản phẩm Nếu dùng bức xạ để diệt khuẩn, có thể chờ đợi rằng bức xạ này không làm thay đổi nhiều tính chất của thực phẩm, vì chỉ cần một liều lượng rất
bé đã đủ để diệt một vi sinh vật
Bức xạ ion hóa có thể được dùng để khử trùng (tiêu diệt toàn bộ) hoặc thanh trùng (tiêu diệt một phần) các vi sinh vật có trong thực phẩm, thuốc và dụng cụ phẫu thuật
Việc thanh trung bằng bức xạ ion hóa có ưu điểm là nhanh, gọn và không thay đổi mùi vị thực phẩm như khi xử lý nhiệt Một ưu điểm khác là đối với những sản phẩm phải bảo đảm tuyệt đối vô trùng như thuốc men, chỉ khâu y tế, thường người